Dynamic Channel Allocation Using Simulated Annealing In 802.11 WLANs amirsh.nll@gmail.com

1. Amir Shokri
‫تخصیص‬‫کانال‬‫از‬ ‫استفاده‬ ‫با‬ ‫وایرلس‬ ‫های‬ ‫شبکه‬ ‫پویا‬Simulated Annealing
Amirsh.nll@gmail.com
Dr. Kourosh Kiani

2. ‫مقدمه‬
2
‫استاندارد‬802.11‫ها‬ ‫رسانه‬ ‫دسترسی‬ ‫کنترل‬ ‫از‬ ‫ای‬ ‫مجموعه‬‫برای‬ ‫که‬ ‫است‬ ‫زیکی‬‫فی‬ ‫ی‬ ‫الیه‬ ‫در‬‫ب‬ ‫ارتباطات‬ ‫اجرای‬‫سیم‬ ‫ی‬
‫محلی‬ ‫شبکه‬Wlan‫در‬ ‫رلس‬‫وای‬ ‫های‬ ‫شبکه‬ ‫یا‬‫باند‬‫کانسی‬‫فر‬2.4،3.6،5‫و‬60‫گیگاهرتز‬‫کند‬ ‫می‬ ‫کار‬.
‫تقاضای‬ ‫ل‬‫دلی‬ ‫به‬ ‫استاندارد‬ ‫ن‬‫ای‬‫کاربران‬ ‫زیاد‬‫ی‬‫ب‬ ‫های‬ ‫داده‬ ‫سرویس‬ ‫برای‬،‫سیم‬‫در‬ ‫گسترده‬ ‫طور‬ ‫به‬‫مناطق‬‫شهری‬
‫شوند‬ ‫می‬ ‫مستقر‬.
‫های‬ ‫سرویس‬802.11 b/g‫ل‬‫پتانسی‬ ‫و‬ ‫ودن‬‫ب‬ ‫دسترس‬ ‫در‬ ‫ل‬‫دلی‬ ‫به‬،‫ری‬‫پذی‬ ‫توسعه‬‫وب‬‫محب‬ ‫ای‬ ‫گزینه‬‫هستند‬.
‫که‬ ‫آنجا‬ ‫از‬،‫استاندارد‬ ‫ن‬‫ای‬‫طیف‬ ‫کانال‬ ‫در‬ ‫فقط‬2.4‫گیگاهرتزی‬‫صورت‬ ‫به‬‫ارائه‬ ، ‫دارد‬ ‫وجود‬ ‫رمستقیم‬‫غی‬ ‫کانال‬ ‫سه‬
‫سیم‬ ‫ی‬‫ب‬ ‫خدمات‬‫نسبت‬ ‫به‬‫به‬ ‫رو‬ ‫تقاضای‬‫نیست‬ ‫افزایش‬ ‫حال‬ ‫در‬ ‫کاربران‬ ‫رشد‬.
‫از‬ ‫استفاده‬‫های‬ ‫کانال‬‫شو‬ ‫می‬ ‫خدمات‬ ‫کیفیت‬ ‫در‬ ‫تخریب‬ ‫رو‬ ‫ن‬‫ای‬ ‫از‬ ‫و‬ ‫مجاور‬ ‫کانال‬ ‫تداخل‬ ‫به‬ ‫منجر‬ ‫وشانی‬ ‫همپ‬‫د‬.

3. ‫مقدمه‬
3
، ‫واقعی‬ ‫دنیای‬ ‫وهای‬ ‫سناری‬ ‫در‬Access Point (APs)‫متعلق‬‫بدون‬ ‫توانند‬ ‫می‬ ‫متفاوت‬ ‫یا‬ ‫یکسان‬ ‫راتورهای‬‫اپ‬ ‫به‬
‫گی‬‫هماهن‬ ‫و‬ ‫محدودیت‬‫به‬‫باند‬ISM‫بدون‬‫کنند‬ ‫پیدا‬ ‫دسترسی‬ ‫مجوز‬.‫کنترل‬‫ن‬‫بنابرای‬‫مداخالت‬‫ک‬ ‫ود‬‫هب‬‫ب‬ ‫برای‬‫یفیت‬
‫است‬ ‫الزامی‬ ‫خدمات‬.‫ن‬‫چندی‬ ‫که‬ ‫ی‬ ‫وهای‬ ‫سناری‬ ‫در‬AP‫در‬‫آن‬‫مستقر‬ ‫محیط‬‫شده‬،‫اند‬‫موجود‬ ‫کانال‬ ‫سه‬ ‫که‬ ‫است‬ ‫الزم‬
‫برسد‬ ‫حداقل‬ ‫به‬ ‫ها‬ ‫دخالت‬ ‫که‬ ‫شود‬ ‫داده‬ ‫اختصاص‬ ‫ای‬ ‫گونه‬ ‫به‬ ‫هینه‬‫ب‬ ‫روش‬ ‫به‬.
Ism : Industrial, Scientific and Medical band

4. ‫پروژه‬ ‫چارچوب‬
4
‫از‬ ‫استفاده‬ ‫با‬ ‫ی‬‫چارچوب‬ ، ‫روژه‬‫پ‬ ‫ن‬‫ای‬ ‫در‬Simulated Annealing‫حل‬ ‫برای‬‫شبکه‬ ‫در‬ ‫کانال‬ ‫انتساب‬ ‫مشکل‬‫با‬ ‫ی‬ ‫های‬
‫استاندارد‬802.11‫ن‬‫چندی‬ ‫حضور‬ ‫زمان‬ ‫در‬Aps‫شود‬ ‫می‬ ‫ارائه‬.
‫هدف‬‫سازی‬ ‫پیاده‬ ‫روژه‬‫پ‬ ‫ن‬‫ای‬‫الگوریتم‬SA‫و‬‫وی‬ ‫سناری‬ ‫در‬ ‫کاربردی‬ ‫های‬ ‫برنامه‬ ‫برای‬ ‫هینه‬‫ب‬ ‫کانال‬ ‫انتساب‬ ‫یافتن‬‫ش‬‫ی‬ ‫بکه‬
‫است‬ ‫شده‬ ‫تعریف‬.‫پارامترهای‬SA‫به‬‫ت‬ ‫و‬ ‫برساند‬ ‫حداقل‬ ‫به‬ ‫را‬ ‫سیستم‬ ‫در‬ ‫دخالت‬ ‫که‬ ‫شوند‬ ‫می‬ ‫انتخاب‬ ‫ای‬ ‫گونه‬‫کلیف‬
‫کند‬ ‫می‬ ‫فراهم‬ ‫ما‬ ‫برای‬ ‫را‬ ‫وطه‬‫مرب‬ ‫کانال‬.‫انتساب‬‫الگوریتم‬ ‫توسط‬ ‫کانال‬SA‫بسیار‬‫شده‬ ‫شناخته‬ ‫هینه‬‫ب‬ ‫به‬ ‫نزدیک‬
‫روش‬ ‫با‬ ‫موجود‬Branch and Bound‫است‬.

5. ‫های‬ ‫دستگاه‬IEEE 802.11 b/g
5
‫توانند‬ ‫می‬ ‫ها‬ ‫گاه‬‫دست‬ ‫ن‬‫ای‬‫باند‬ ‫در‬2.4‫مجموع‬ ‫با‬ ‫گیگاهرتزی‬14‫کانال‬،‫دسترس‬ ‫قابل‬‫شوند‬ ‫منتقل‬.‫متحده‬ ‫ایاالت‬ ‫در‬
‫فقط‬11‫و‬ ‫هستند‬ ‫دسترس‬ ‫در‬ ‫قانونی‬ ‫نظر‬ ‫از‬ ‫کانال‬‫ی‬ ‫اروپای‬ ‫کشورهای‬ ‫در‬ ‫عدد‬ ‫ن‬‫ای‬13‫کانال‬‫است‬.
‫با‬‫فقط‬ ، ‫حال‬ ‫ن‬‫ای‬3‫وشانی‬ ‫همپ‬ ‫ر‬‫غی‬ ‫کانال‬(‫متعامد‬)1،6‫و‬11‫باند‬ ‫در‬2.4‫است‬ ‫موجود‬ ‫گیگاهرتزی‬.
‫طیف‬ ‫ر‬‫تصوی‬ ‫ر‬‫زی‬ ‫شکل‬‫فرکانس‬ ‫فضای‬ ‫از‬‫اشغال‬‫توسط‬ ‫شده‬14‫دهد‬ ‫می‬ ‫نشان‬ ‫را‬ ‫موجود‬ ‫کانال‬.

6. ‫های‬ ‫دستگاه‬IEEE 802.11 b/g
6
‫طراحی‬ ‫گام‬‫هن‬ ‫در‬‫های‬ ‫شبکه‬‫وشانی‬ ‫همپ‬ ‫با‬ ، ‫سیم‬ ‫ی‬‫ب‬‫سلول‬ ،‫وشش‬ ‫پ‬RF‫الزم‬‫های‬ ‫لبه‬ ‫در‬ ‫هتر‬‫ب‬ ‫وشش‬ ‫پ‬ ‫تا‬ ‫است‬
‫شود‬ ‫فراهم‬ ‫سلول‬.، ‫حال‬ ‫ن‬‫ای‬ ‫با‬‫شده‬ ‫وشانی‬ ‫همپ‬ ‫های‬ ‫سلول‬‫فضای‬ ‫دارای‬ ‫نباید‬‫یکسان‬ ‫کانس‬‫فر‬‫باش‬ ‫هم‬ ‫با‬‫ند‬.
‫سه‬ ‫از‬ ‫بیش‬ ‫که‬ ‫گامی‬‫هن‬ ، ‫ن‬‫بنابرای‬AP‫در‬‫از‬ ‫باید‬ ‫فقط‬ ، ‫هستند‬ ‫مستقر‬ ‫شبکه‬ ‫وی‬ ‫سناری‬ ‫یک‬‫های‬ ‫کانال‬‫ر‬‫غی‬
‫وشانی‬ ‫همپ‬(1،6‫و‬11)‫کرد‬ ‫استفاده‬.
‫معروف‬ ‫موضوع‬ ‫ن‬‫ای‬‫از‬ ‫مجدد‬ ‫استفاده‬ ‫الگوی‬ ‫به‬‫باشد‬ ‫می‬ ‫کانال‬.
‫استفاده‬‫از‬‫توسط‬ ‫متداخل‬ ‫های‬ ‫کانال‬AP‫باعث‬‫ر‬‫تأخی‬ ‫افزایش‬ ‫و‬ ‫توان‬ ‫کاهش‬ ‫به‬ ‫منجر‬ ‫و‬ ‫شده‬ ‫مجاور‬ ‫کانال‬ ‫تداخل‬
‫شود‬ ‫می‬

7. ‫کانال‬ ‫تخصیص‬ ‫مشکل‬
7
‫وجود‬ ‫سیم‬ ‫ی‬‫ب‬ ‫خدمات‬ ‫برای‬ ‫تقاضا‬ ‫افزایش‬ ‫که‬ ‫گامی‬‫هن‬،‫دارد‬‫ب‬ ‫رسانی‬ ‫خدمت‬ ‫برای‬ ‫سیم‬ ‫ی‬‫ب‬ ‫گاه‬‫دست‬ ‫ن‬‫چندی‬‫کاربران‬ ‫ه‬
‫شوند‬ ‫می‬ ‫مستقر‬.‫اس‬ ، ‫است‬ ‫دسترس‬ ‫در‬ ‫ها‬ ‫گاه‬‫دست‬ ‫ن‬‫ای‬ ‫استفاده‬ ‫برای‬ ‫محدودی‬ ‫باند‬ ‫هنای‬ ‫پ‬ ‫فقط‬ ‫که‬ ‫آنجا‬ ‫از‬‫تفاده‬
‫ضروری‬ ‫ز‬‫نی‬ ‫موجود‬ ‫فرکانس‬ ‫های‬ ‫کانال‬ ‫از‬ ‫مجدد‬‫است‬.
‫ن‬‫ای‬‫ه‬ ‫گاه‬‫دست‬ ‫ن‬‫بی‬ ‫تداخل‬ ‫همیشه‬ ‫که‬ ‫شود‬ ‫داده‬ ‫اختصاص‬ ‫ها‬ ‫گاه‬‫دست‬ ‫به‬ ‫ای‬ ‫گونه‬ ‫به‬ ‫باید‬ ‫موجود‬ ‫های‬ ‫کانال‬‫در‬ ‫ا‬
‫شود‬ ‫حفظ‬ ‫خود‬ ‫حداقل‬.‫می‬ ‫شناخته‬ ‫کانال‬ ‫تخصیص‬ ‫مشکل‬ ‫عنوان‬ ‫به‬ ‫ن‬‫ای‬‫شود‬.
‫مواردی‬‫می‬ ‫ایجاد‬ ‫موجود‬ ‫کانس‬‫فر‬ ‫فضای‬ ‫در‬ ‫کانال‬ ‫اختصاص‬ ‫ل‬‫دلی‬ ‫به‬ ‫که‬‫است‬ ‫ر‬‫زی‬ ‫شرح‬ ‫به‬ ‫شود‬:
•‫مجاور‬ ‫کانال‬ ‫تداخل‬
•‫کانال‬ ‫مشترک‬ ‫تداخل‬
•‫کانال‬ ‫اختصاص‬ ‫در‬ ‫بندی‬ ‫طبقه‬

8. ‫شبکه‬ ‫توپولوژی‬
8
‫یک‬ ‫ن‬‫تمری‬ ‫ن‬‫ای‬ ‫در‬‫مدل‬‫سادهدر‬ ‫ی‬ ‫شبکه‬‫کار‬ ‫ن‬‫ای‬‫است‬ ‫شده‬ ‫استفاده‬.
‫ن‬‫ای‬‫پنج‬ ‫شامل‬ ‫مدل‬AP‫است‬‫شوند‬ ‫می‬ ‫مستقر‬ ‫منطقه‬ ‫یک‬ ‫در‬ ‫تصادفی‬ ‫بطور‬ ‫که‬.‫هر‬AP‫به‬‫کاربر‬ ‫ن‬‫چندی‬‫خدمات‬
‫دهند‬ ‫می‬‫می‬ ‫ع‬ ‫توزی‬ ‫مشخص‬ ‫ارتباطی‬ ‫شعاع‬ ‫در‬ ‫تصادفی‬ ‫بطور‬ ‫که‬‫شوند‬.

9. ‫مسئله‬ ‫های‬ ‫فرمول‬
9
‫همه‬ ‫مجموعه‬AP‫توسط‬ ‫ها‬A‫مشخص‬‫توسط‬ ‫موجود‬ ‫های‬ ‫کانال‬ ‫تمام‬ ‫از‬ ‫ای‬ ‫مجموعه‬ ‫و‬ ، ‫است‬ ‫شده‬C‫مشخص‬
‫شده‬‫است‬:
𝜌: 𝐶 ∗ 𝐴 → 0, 1
𝜌 𝑖, 𝑎 =
1 𝑖𝑓 𝐴𝑃 𝑎 𝑢𝑠𝑒𝑠 𝑐ℎ𝑎𝑛𝑛𝑒𝑙 𝑖
0 𝑖𝑓 𝐴𝑃 𝑎 𝑑𝑜𝑒𝑠 𝑛𝑜𝑡 𝑢𝑠𝑒 𝑐ℎ𝑎𝑛𝑛𝑒𝑙 𝑖
𝑤ℎ𝑒𝑟𝑒 𝑖 ∈ 1, 2, … . . , 𝐶 , 𝑎 ∈ {1,2, … . , 𝐴 }

10. ‫مسئله‬ ‫های‬ ‫فرمول‬
10
‫توسط‬ ‫شده‬ ‫تجربه‬ ‫تداخل‬AP‫با‬ ‫ها‬a‫کانال‬ ‫در‬ ‫که‬ ‫شود‬ ‫می‬ ‫داده‬ ‫نشان‬i‫کند‬ ‫می‬ ‫کار‬( :‫هر‬ ‫برای‬ ‫انتقال‬ ‫قدرت‬AP‫برابر‬
‫از‬ ‫ای‬ ‫مجموعه‬1‫است‬ ‫ها‬).
𝐼 𝑎 𝑖 = Σ 𝑏∈𝑁𝐵(𝑎)Ω 𝑎,𝑏 𝐺 𝑎,𝑏 𝑃𝑡 + 𝜂 𝑎
Where NB(A) defines a local environment around the Ap a
But not including AP a itself
𝜂 𝑎 is the background noise experienced by AP a.

11. ‫مسئله‬ ‫های‬ ‫فرمول‬
11
‫شود‬ ‫می‬ ‫محاسبه‬ ‫ر‬‫زی‬ ‫شرح‬ ‫به‬ ‫هدف‬ ‫عملکرد‬:
𝑀𝑖𝑛𝑖𝑚𝑖𝑧𝑒 𝛾 𝑠 = Σ 𝑎∈A 𝐼 𝑎 𝑆 𝑎 = Σ 𝑎∈𝐴Σ 𝑏∈𝐵(𝑎)Ω 𝑎,𝑏 𝐺 𝑎,𝑏 𝑃𝑡 + 𝜂 𝑎
𝑠𝑢𝑏𝑗𝑒𝑡 𝑡𝑜 Σ 𝑎=1
𝐴
Σ𝑖=1
𝐶
𝜌 𝑖, 𝑎 = |𝐴|

12. ‫مسئله‬ ‫های‬ ‫فرمول‬
12
‫ی‬ ‫محاسبه‬ ‫فرمول‬Cooling schedule‫است‬ ‫ر‬‫زی‬ ‫شرح‬ ‫به‬:
𝑇 = 𝑇 ∗ 𝑎𝑙𝑝ℎ𝑎 𝑤ℎ𝑒𝑟𝑒 𝑎𝑙𝑝ℎ𝑎 ∈ 0,1 𝑖𝑠 𝑡ℎ𝑒 𝑐𝑜𝑜𝑙𝑖𝑛𝑔 𝑓𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟

13. ‫متلب‬ ‫کد‬
13
function [bestsol,fmin] = Final(alpha)
clc
clear
close all
if nargin<1
alpha = 1;% Cooling factor
end
% Initializing parameters and settings
T_init= 1; % Initial temperature
T = T_init; % Temp variable
T_min = 1e-10; % Minimum temperature
max_rej = 2500; % Max # of rejections
max_run = 500; % Max # of runs
max_accept = 250; % Max # of acceptances

14. ‫متلب‬ ‫کد‬
14
s= randi(3,1,5); % Channels
i= 0;j=0; accept = 0;
G = rand (5,5);
G(logical(eye(size(G)))) = 0;
G = G./100;
E_init = fun(s,G);
E_old = E_init; count = 0;
best = s; fminimum = []; counter = [];
while ((T>T_min) || (j<=max_rej))
i = i+1;
if(i>=max_run) || (accept >=max_accept)
%reset the counters
i=1; accept =1;
T = cooling(alpha,T);
end

15. ‫متلب‬ ‫کد‬
15
ns=randi(3,1,5);
E_new = fun(ns,G);
% Decide to accept new solution
%Accept if improved
DeltaE = E_new - E_old;
if(E_new < E_old)
best = ns; E_old = E_new;
accept = accept + 1; j=0;
end
p= min(1,exp(-DeltaE/T)); % Probability of accepting new solution
%Accept with a small probability p if not improved
if ((E_new >= E_old) && (p > 0))
best = ns; E_old = E_new;
accept = accept + 1;

16. ‫متلب‬ ‫کد‬
16
else
j=j+1;
end
%Update the estimated optimal solution
fmin = E_old;
count = count + 1;
fminimum(count) = fmin; %#ok<AGROW>
counter(count) = count; %#ok<AGROW>
%display(fmin)
end
plot (counter,fminimum)
xlabel ('Iteration');
ylabel ('Interference');
title ('Variation in interference')
display(count)

17. ‫متلب‬ ‫کد‬
17
display(E_init)
bestsol = best;
bestfunctionvalue = fmin;
display(bestfunctionvalue)
end
function I=fun(s,G)
E_norm = 25; % Normalization
omega = zeros([5 5]);
if (s(1,1) == s(1,2))
omega(1,2) = 1;
omega(2,1) = 1;
end
if(s(1,3)==s(1,4))
omega(3,4)=1;

18. ‫متلب‬ ‫کد‬
18
omega(4,3)=1;
end
rho = zeros([3 5]);
for y=1:5
switch s(1,y)
case 1
rho(1,y)=1;
case 2
rho(2,y)=1;
case 3
rho(3,y)=1;
end
end
noise = rand(1,5);

19. ‫متلب‬ ‫کد‬
19
noise= sum(noise);
I=omega.*G + noise;
I(logical(eye(size(I)))) = 0;
I= sum(I);
I=sum(I,2)/E_norm;
end
function T=cooling(alpha,T)
T=alpha*T;
end

20. ‫نتایج‬
20
‫هینه‬‫ب‬ ‫کانال‬ ‫اختصاص‬ ‫هی‬‫ب‬ ‫ن‬‫جایگزی‬ ‫کانال‬ ‫اختصاص‬‫نه‬

21. ‫نتایج‬
21
‫ن‬‫بی‬ ‫مقایسه‬Sa‫الگوریتم‬ ‫و‬Branch and Bound

22. ‫نتایج‬
22
alpha : 0.1

23. ‫نتایج‬
23
alpha : 0.2

24. ‫نتایج‬
24
alpha : 0.3

25. ‫نتایج‬
25
alpha : 0.4

26. ‫نتایج‬
26
alpha : 0.5

27. ‫نتایج‬
27
alpha : 0.6

28. ‫نتایج‬
28
alpha : 0.7

29. ‫نتایج‬
29
alpha : 0.8

30. ‫نتایج‬
30
alpha : 0.9

31. ‫نتیجه‬
31
‫در‬ ‫کانال‬ ‫انتساب‬ ‫مشکل‬ ، ‫روژه‬‫پ‬ ‫ن‬‫ای‬ ‫در‬‫استاندارد‬ ‫در‬ ‫سیم‬ ‫ی‬‫ب‬ ‫های‬ ‫شبکه‬ ‫کنولوژی‬ ‫ت‬802.11 b/g‫الگوریتم‬ ‫کمک‬ ‫با‬
Simulated Annealing‫شد‬ ‫حل‬.
‫ولوژی‬ ‫توپ‬‫ل‬‫قبی‬ ‫از‬ ‫ی‬ ‫پارامترهای‬ ، ‫شبکه‬transition‫و‬cooling schedule‫اجرای‬ ‫برای‬ ‫نیاز‬ ‫مورد‬SA‫می‬ ‫تعریف‬ ‫را‬
‫کند‬.
‫شبیه‬‫سازی‬‫های‬‫به‬ ‫ها‬ ‫کانال‬ ‫و‬ ‫شده‬ ‫انجام‬AP‫به‬ ‫سیستم‬ ‫در‬ ‫کل‬ ‫دخالت‬ ‫که‬ ‫ای‬ ‫گونه‬ ‫به‬ ‫شوند‬ ‫می‬ ‫داده‬ ‫اختصاص‬ ‫ها‬
‫برسد‬ ‫حداقل‬.

32. ‫منابع‬
32
• Source Code : https://github.com/krishnasubramani/Simulated-Annealing
• Paper : https://ieeexplore.ieee.org/document/4525967
• Paper Resources :
• [1] A. Aklla, G. Judd, P. Steenkiste and S. Seshan, “Self management in chaotic wireless developments,” Proc. the 11th Annual International Conference on
Mobile Computing and Networking, 2005.
• [2] V. I. Norkin, G. Ch. Pflug and A. Ruszczynski, “A branch and bound method of stochastic global optimization,” International Institute for Applied Systems
Analysis, 1996.
• [3] Kirkpatrick, S., Gelatt, C.D. and Vecchi, P. M., “Optimization by Simulated Annealing,” Science, vol. 220, pp. 610-680, 1983.
• [4] V. Cerny, “A thermodynamical approach to the traveling salesman problem: an efficient simulation algorithm,” Journal of Optimization Theory and
Applications, vol. 45, pp.41-51, 1985.
• [5] COST231, Final Report, 1999.
• [6] R. Vaughan, J. Bach Andersen, Channels Propagation and Antennas for Mobile Communications, IEE, 2003.

33. Thank You
Amir shokri
Amirsh.nll@gmail.com
Dr. Kourosh Kiani